王偉 李錦華
摘要
由于D類功放輸出需采用低通濾波器消除高頻信號,恢復(fù)聲音信號因?yàn)樗晸Q能器為容性負(fù)載,會導(dǎo)致無功功率增大,所以必須要進(jìn)行匹配電路設(shè)計(jì)。進(jìn)行匹配電路設(shè)計(jì)可降低換能器無功功率,將功放效率大幅度提升,可促使水聲換能器高效穩(wěn)定運(yùn)行。
【關(guān)鍵詞】功放 匹配電路 阻抗 相位
1 水聲功放概述
水聲功放不論是在軍事領(lǐng)域還是在民用領(lǐng)域,都發(fā)揮著極其重要的作用??蓮V泛應(yīng)用于水聲系統(tǒng)測試、海洋資源探測、地形地貌掃描、漁業(yè)探測、航道規(guī)劃以及碼頭垃圾清理等民用技術(shù)領(lǐng)域。水聲功放的最大作用就是可以將信號功率放大,驅(qū)動水聲換能器將電信號轉(zhuǎn)換為聲信號,與此同時(shí)向水里面輻射出充足能量的聲信號。伴隨科技的持續(xù)發(fā)展與進(jìn)步,功放已經(jīng)從一開始的電子管功放逐步發(fā)展到二代晶體管功放,接著發(fā)展到了場效應(yīng)晶體管功放,最終發(fā)展到了數(shù)字功放,數(shù)字功放還被叫作D類功率放大器。在這之中,前面三個(gè)功放屬于線性模擬功放,而后面一個(gè)功放屬于數(shù)字開關(guān)功放。
2 D類功放的基本原理
簡單地說,所謂的D類功放實(shí)際上還被稱之為數(shù)字功率放大器,這種功放是由三個(gè)部分構(gòu)成的,PWM調(diào)制對比,輸出濾波與功率放大。好的D類功率放大器效率能夠達(dá)到百分之百,在現(xiàn)實(shí)運(yùn)用過程中可達(dá)到90%的效率,而AB類功放效率就相對比較低了。
(1)調(diào)制器,僅僅需采用一只運(yùn)放組成比較器就能夠做好。
(2)D類功率放大器,是一個(gè)脈沖控制大電流開關(guān)放大器,將比較器輸出的PWM信號轉(zhuǎn)換為大電流與高電壓大功率PWM信號。
(3)需將大功率PWM波形里面的聲音信息恢復(fù),就需要采用低通濾波器??墒牵?yàn)檫@個(gè)時(shí)候電流較大,RC結(jié)構(gòu)低通濾波器電阻會消耗能源,無法使用,需要運(yùn)用LC低通濾波器。
3 設(shè)計(jì)水聲換能器匹配電路分析
3.1 匹配方法
通常而言,水聲換能器諧振頻率范疇以內(nèi),換能器等效模型可通過等效電路來展示:并聯(lián)電路的構(gòu)成是一個(gè)靜態(tài)電容C2與串聯(lián)支路。其中串聯(lián)支路就是通過一個(gè)動態(tài)電感L1、動態(tài)電阻RL、動態(tài)電容C1所組和而成的。倘若處在諧振頻率的時(shí)候,動態(tài)電感與電容作用相互抵消,能夠等效成一個(gè)動態(tài)電阻與靜態(tài)電容并聯(lián)構(gòu)成。換能器阻抗是伴隨著頻率的變化而改變的,因?yàn)殪o態(tài)電容很大,因此換能器在工作頻帶里面成容性。換能器匹配方法包含了靜態(tài)與動態(tài)匹配法。靜態(tài)匹配方法就是借助檢測出來的換能器等效電路參數(shù),接著按照該參數(shù),采用串聯(lián)和并聯(lián)的方法,設(shè)計(jì)出恰當(dāng)?shù)钠ヅ潆娐?,讓其和換能器在某個(gè)固定的頻率產(chǎn)生諧振。而動態(tài)匹配就是說倘若換能器阻抗參數(shù)變化大,那么運(yùn)用固定匹配電路難以確保換能器一直處在最好的諧振狀態(tài),此時(shí)必須要借助動態(tài)匹配方法實(shí)現(xiàn)諧振。
3.2 匹配水聲換能器
依照換能器等效模型,可得出阻抗Z=R+jX=,按照匹配的基本原理,當(dāng)換能器諧振的時(shí)候,電抗X就等于0,也就是w等于wx等于,那么串聯(lián)支路里面單單剩下了RL電阻。
在未接匹配的時(shí)候,在工作頻帶里面,相位接近90度,因此假設(shè)未接匹配電路,就會產(chǎn)生很大的無功功率,功率傳輸效率不高。因?yàn)閾Q能器在工作頻帶里面呈容性,同時(shí)純電感元件不會導(dǎo)致能量消耗問題產(chǎn)生,且接一個(gè)電感調(diào)整負(fù)載阻抗,進(jìn)而讓功放的輸出效率提升。匹配電路可以讓換能器在諧振頻率附近的時(shí)候,相位近似于0。因此,,可以計(jì)算出L2等于1.33mH,匹配以后的相位,見圖1。匹配以后相位由20KHZ至26KHZ內(nèi)均能夠降低到45度內(nèi)。按照匹配以后電路計(jì)算得出等效系統(tǒng)函數(shù),可計(jì)算出頻段范疇是20KHZ,而品質(zhì)因數(shù)根據(jù)公式:,在這之中f1,f2是頻段的兩個(gè)邊界,而f0是諧振頻率,因此可計(jì)算出Q等于3.56。在未增加匹配電感的時(shí)候,因?yàn)殡妷?、電流有效值很大,可因?yàn)橄辔徊畲?,因此換能器功率低,同時(shí)傳輸效率不高。添加匹配電感以后,因?yàn)榱鬟^換能器的電壓以及電流相位差得到了有效的改進(jìn),換能器功率增加了,縮減了無功功率,提高了傳輸效率。
3.3 阻杭匹配
倘若負(fù)載電阻與功放輸出電阻差值較大,必然會造成阻抗失配,從而對功放輸出功率帶來很大的影響。通常是經(jīng)過變壓器阻抗變換,實(shí)現(xiàn)功放輸出阻抗與換能器阻抗接近。對D類功放而言,輸出信號為PWM信號,包含了很多的諧波成分,優(yōu)質(zhì)的匹配網(wǎng)絡(luò)可以消除剩下的頻率成分,將功放負(fù)擔(dān)減輕。
(1)功放輸出阻抗檢測。假設(shè)用信號源輸出信號當(dāng)成功放輸入信號,而輸出回路并不并接負(fù)載RL,檢測輸出電壓值是V0∞;假設(shè)輸出回路并接負(fù)載RL,那么輸出檢測值就是V0L,那么可以運(yùn)用以下公式計(jì)算出功放輸出電阻。,需要注意的一點(diǎn)就是檢測的過程中,需確保輸出波形不會失真,同時(shí)RL需要盡可能接近功放輸出電阻,降低誤差。
(2)換能器等效并聯(lián)電阻。簡單來說,換能器諧振頻率是22.8KHZ,換能器L1,C1生成的動態(tài)電容與電感作用相抵消。假設(shè)并聯(lián)電感L2可以在諧振頻率點(diǎn)將靜態(tài)電容作用抵消,就能得出等效并聯(lián)電阻。
(3)倘若功放輸出電路中的電壓Vg內(nèi)阻是Rg阻性信號源,經(jīng)過一只變壓器和負(fù)載轉(zhuǎn)變阻抗。在等效電路中Vs=N*Vg,Rs=N2*Rg,假設(shè)RS和換能器匹配以后等效電阻RL一致時(shí),換能器得到的功率就是最大的,其匝數(shù)比就是1:8。
3.4 改善的匹配電路
根據(jù)以上匹配以后的相位,可了解到在接近20kHz的相位是正的,而接近30kHz的相位是負(fù)的,因此,可增加一個(gè)電感與電容,在接近20KHZ呈容性,在接近30KHZ呈感性消除匹配剩下的電抗。通過電感L2消除換能器容性,假設(shè)L2電感值是1.264mH,借助公式可以將電抗值求出來。接著經(jīng)過串聯(lián)電感與電容消除最大值與最小值,求出串聯(lián)電感L3為10.09mH,而串聯(lián)電容C3為4.36nF,求出匹配以后的電抗值與相位值。因此,此次改善以后的電路相位得到了一定的提升。
4 結(jié)束語
此次設(shè)計(jì)了D類功放與換能器匹配電路,為避免高頻輻射與信號還原,輸出信號經(jīng)過濾波器消除高頻成分。此次匹配內(nèi)容就是諧振調(diào)節(jié),換能器借助匹配等效成一個(gè)阻元件,也就是將電壓與電流相位差縮減,獲取到高效率。匹配阻抗,通過變壓器變換等效阻抗,得到高功率輸出。